DE102007000840B4

DE102007000840B4 - Gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102007000840B4
Application number: DE102007000840.8A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Komiyama; Osamu Yamakawa; Seiichi Hori
Original assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Adrec Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Adrec Co Ltd
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: DE102007000840A1; US20080254271A1; US7799417B2; CN101172861A; CN101172861B; JP2008094652A; JP4327190B2

Abstract

Gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis, welcher umfasst: eine Mehrzahl von Siliziumcarbid(SiC)-Teilchen, die als ein Aggregat dienen; und Silizium (Si), das in die Zwischenräume zwischen den Siliziumcarbid-Teilchen gefüllt ist, wobei der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumcarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr ist, der Gehalt an Silizium 5 bis 40 Masse-% ist und die Porosität 0 bis 5% ist, und wobei der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis eine dickwandige Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm einnimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere bezieht sie sich auf einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis, der beständig gegenüber Oxidations-Degradation, Bruch und dergleichen ist, selbst wenn eine dickwandige Form eingenommen wird, und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Bislang nahmen gebrannte Körper auf Siliziumkarbid (SiC)-Basis aufgrund ihrer exzellenten Wärmebeständigkeit und Feuerfestigkeit eine industriell wichtige Position ein und wurden häufig als zum Beispiel Brennplatten zum Brennen von Keramiken wie Isolatoren, Sanitärsteinzeug, Geschirr, Gestelle, Tonwarenrohre und Dachziegel verwendet. Unter diesen gebrannten Körpern auf SiC-Basis wurden gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis, die SiC und Si als aufbauende Komponenten enthalten, primär als Brennofenrohre zum Brennen von Halbleitern, Rohre für Walzenwärmetauscher von Herdwalzenöfen, Brennplatten zum Brennen keramischer Produkte und dergleichen verwendet (siehe zum Beispiel japanisches Patent JP 2 758 313 B2 , japanisches Patent JP 2 535 480 B2 und japanisches Patent JP 3 137 737 B2 ).
Es gibt darin ein Problem, dass, wenn die Dicken von diesen gebrannten Körpern auf Si-SiC-Basis erhöht werden, die Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit nicht aufrecht erhalten werden können. Der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis wird durch Infiltrieren eines porösen gebrannten SiC-Körpers mit metallischem Silizium (Si) hergestellt. Wenn der gebrannte SiC-Körper eine dickwandige Form mit einer Dicke von 20 mm oder mehr einnimmt, kann das metallische Si nicht leicht hinein infiltrieren und folglich verbleiben viele nicht mit metallischem Si infiltrierte Poren in dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis ungefüllt. In diesem Fall gibt es darin Probleme, dass Rissbildung während der Herstellung auftritt und die Festigkeit signifikant aufgrund der Poren abnimmt. Wenn darüber hinaus ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis mit vielen verbleibenden Poren unter hoher Temperatur verwendet wird, gibt es darin ein Problem, dass die Oxidations-Degradation von den Abschnitten der Poren fortschreitet und Knacken, Bruch und dergleichen auftreten.
Andere wärmebeständige Materialien als die gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis wie Oxid-gebundene SiC-Materialien, Siliziumnitrid-gebundene SiC-Materialien und Aluminiumoxid-Mullit-Materialien können dickwandige Formen einnehmen. Unter einer Umgebung jedoch, in welcher ein großer Temperaturunterschied auftritt, gibt es ein Problem darin, dass eine thermische Spannung, welche Zerstörung hervorruft, aufgrund des Temperaturunterschieds erzeugt wird, da die thermische Leitfähigkeit niedrig ist. Wenn ein Anstieg und eine Abnahme der Temperatur während der Verwendung wiederholt werden, wird eine Spannung aufgrund der Wiederholung erzeugt und dadurch tritt eine Zerstörung aufgrund zyklischer Ermüdung auf. Darüber hinaus gibt es darin ein Problem, dass ein Schaden aufgrund einer mechanischen Spannung leicht auftritt, da die Festigkeit der Bindungsstruktur niedrig ist, und eine Lebensdauer kurz wird, da der Abriebswiderstand und dergleichen niedrig sind.
Monolithische Feuerfestmaterialien sind nicht für gute Bearbeitbarkeit, niedrige Kosten und dergleichen bekannt. Wie in dem Fall der vorstehend beschriebenen Oxid-gebundenen SiC-Materialien gibt es jedoch darin Probleme, dass Bruch in einem frühen Stadium der Verwendung aufgrund einer Verringerung der Festigkeit der Bindungsstruktur auftritt und ein Schaden aufgrund einer thermischen Spannung auftritt, die von einem Temperaturunterschied im Inneren des monolithischen Feuerfestmaterials herrührt.
DE 102 31 278 A1 beschreibt einen keramischen Verbundkörper umfassend mindestens zwei Schichten, der eine Werkstoffschicht A in einer Matrix enthaltend freies Silizium oder Siliziumlegierung gebundenes SiC enthält, wobei der Massenanteil an freiem Silizium oder Siliziumlegierung oberhalb 3% liegt, und der eine Werkstoffschicht B lose gebundenes Siliciumcarbid enthält, wobei der Massenanteil an freiem Silizium oder Siliziumlegierung in der Werkstoffschicht B unterhalb 2,5% liegt.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht solcher Probleme in der bekannten Technologie gemacht und ist darin gekennzeichnet, dass sie einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis bereitstellt, welcher gegenüber Oxidations-Degradation, Bruch und dergleichen beständig ist, selbst wenn er eine dickwandige Form einnimmt, und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt den folgenden gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis und ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung.
Ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis schließt eine Mehrzahl von als ein Aggregat dienende Siliziumkarbid(SiC)-Teilchen und in die Zwischenräume zwischen die vorstehend beschriebenen Siliziumkarbid-Teilchen gefülltes Silizium (Si) ein, wobei der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr ist, der Gehalt des Siliziums 5 bis 40 Masse-% ist und die Porosität 0 bis 5% ist.
Der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis nimmt eine dickwandige Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm ein.
In dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis ist der Gehalt der vorstehend beschriebenen Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr bevorzugt 10 bis 80 Masse-% der gesamten Siliziumkarbid-Teilchen.
Der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis kann als ein Drehrohrofen-Heber verwendet werden, der an einer Innenoberfläche eines Mantels eines Drehrohrofens angeordnet ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis schließt die Schritte zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Teilchen mit einer maximalen Teilchengröße von 0,5 mm oder mehr enthaltenden mechanisch durchgekneteten Tons (hiernach einfach als Ton bezeichnet), Ausformen des Tons zu einem geformten Körper, Erhitzen des geformten Körpers auf 1000°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger, um einen ersten gebrannten Körper zu erhalten, und Erhitzen des ersten gebrannten Körpers in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre ein, um einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis zu erhalten.
Der vorstehend beschriebene Schritt zum Erhalten des ersten gebrannten Körpers kann ein Schritt sein, in welchem der vorstehend beschriebene geformte Körper in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger bei 1000°C oder höher für 2 bis 30 Stunden erhitzt wird.
Der vorstehend beschriebene Schritt zum Erhalten des ersten gebrannten Körpers kann ein Schritt sein, in welchem der vorstehend beschriebene geformte Körper auf 1000°C oder höher und weniger als 1400°C in der Gegenwart von Silizium in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger erhitzt wird, und der vorstehend beschriebene Schritt zum Erhalten des gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis kann ein Schritt sein, in welchem die Temperatur kontinuierlich von dem Schritt zum Herstellen des ersten gebrannten Körpers angehoben wird und der erste gebrannte Körper in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre aufgeheizt wird.
Die Rohdichte des vorstehend beschriebenen geformten Körpers ist bevorzugt 1.65 bis 2.7 g/cm³.
Gemäß des gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung ist der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr, der Gehalt an Silizium (Si) ist 5 bis 40 Masse-% und die Porosität ist 0 bis 5%. Folglich treten Oxidations-Degradation, Bruch und dergleichen nicht leicht auf.
Gemäß des Verfahrens zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung wird der vorbestimmte Siliziumkarbid-Teilchen enthaltende gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis durch Erhitzen des geformten Körpers auf 1000°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger, um den ersten gebrannten Körper zu erreichen, und danach Erhitzen des sich ergebenden ersten Körpers in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre erhalten. Folglich wird es möglich, SiO₂ in dem Schritt zum Erhalten des ersten gebrannten Körpers zu zersetzen, solange SiO₂ auf den Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen vorhanden ist, da es eine Substanz ist, welche die Infiltration mit metallischem Si behindert, und die Infiltration mit metallischem Si in adäquater Weise in dem folgenden Schritt zum Erhalten des gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis durchzuführen.
1 stellt einen Drehrohrofen dar, der mit einem Drehrohrofen-Heber unter Verwendung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung versehen ist, und ist eine teilweise Querschnittsansicht im rechten Winkel zur Mittelachse (einer Drehachse).
Die bevorzugten Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend speziell beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese folgenden Ausführungsformen begrenzt. Es sollte verstanden werden, dass Modifikationen der Auslegung, Verbesserungen und dergleichen in geeigneter Weise auf der Grundlage des bekannten Wissens eines Fachmanns gemacht werden können, ohne vom Geist und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine Mehrzahl von als ein Aggregat dienende Siliziumkarbid (SiC) -Teilchen und in die Zwischenräume zwischen die Siliziumkarbid-Teilchen gefülltes Silizium (metallisches Silizium, Si) ein, wobei die maximale Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr ist, der Gehalt an Silizium 5 bis 40 Masse-% ist und die Porosität 0 bis 5% ist.
In dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis und dem Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung sind die Teilchendurchmesser der Siliziumkabid-Teilchen mit Sieben gemessene Werten.
Rohmaterialteilchen werden gesiebt und der Teilchendurchmesser kann auf der Grundlage gemessen werden, ob die Teilchen durch das Sieb gehen oder nicht. Die Porosität des gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis ist ein Wert, der durch das Archimedes-Verfahren gemessen wird und einen Wert der scheinbaren Porosität anzeigt, der auf der Grundlage von „JIS R 2205 Testverfahren für scheinbare Porosität, spezifische Wasserabsorptions-Dichte von Feuerfeststeinen” bestimmt wird.
In dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung ist der maximale Teilchendurchmesser der als ein Aggregat dienenden Siliziumkabid-Teilchen 0,5 mm oder mehr, bevorzugt 0,5 bis 6 mm, insbesondere bevorzugt 1 bis 5 mm und am besten 1 bis 3 mm. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird Silizium (Si) in adäquater Weise in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen gefüllt, da der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr ist, was relativ groß ist, und folglich wird ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis mit einer kleinen Porosität gebildet. Wenn der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen unter 0,5 mm ist, wird Silizium (Si) nicht in adäquater Weise in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen gefüllt und es gibt Probleme wie ein Auftreten von Rissbildung und Oxidations-Degradation während des Brennens. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass der Teilchendurchmesser der zu verwendenden Siliziumkarbid-Teilchen bis 6 mm ist. Wenn der Anteil der Siliziumkarbid-Teilchen mit 5 mm übersteigenden Teilchendurchmessern ansteigt, kann ein Problem darin auftreten, dass ein Auftreten von Bruch in SiC-Teilchen eine Abnahme der Festigkeit hervorruft, wenn ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis hergestellt wird. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis eine dickwandige Form einnehmen, wenn Silizium (Si) in adäquater Weise in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen gefüllt werden kann.
In dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung ist der Gehalt der Siliziumkarbid-Teilchen mit dem Teilchendurchmesser von 0,5 mm oder mehr bevorzugt 10 bis 80 Masse-% der gesamten als ein Aggregat dienenden Siliziumkarbid-Teilchen und insbesondere bevorzugt 30 bis 60 Masse-%. Da der Gehalt der Siliziumkarbid-Teilchen mit dem Teilchendurchmesser von 0,5 mm oder mehr in dem vorstehend beschriebenen Bereich ist, wird Silizium (Si) in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen in noch adäquaterer Weise durch den gesamten gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis gefüllt. Folglich kann ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis mit einer kleineren Porosität hergestellt werden. Konsequenter Weise wird der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis mit noch exzellenterer Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit hergestellt.
Der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung hat eine Porosität von 0 bis 5% und insbesondere bevorzugt 0 bis 1%. Da, wie vorstehend beschrieben wurde, die Porosität 0 bis 5% ist, was relativ klein ist, tritt eine Oxidations-Degradation und dergleichen nicht leicht auf. Wenn die Porosität 5% übersteigt, ist dies unvorteilhaft, weil Probleme wie eine Festigkeitsverringerung und Oxidations-Degradation auftreten, der Korrosionswiderstand und dergleichen verschlechtert werden und folglich die Lebensdauer verkürzt wird.
In dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung dient Silizium als ein Binder. Der Gehalt an Silizium ist 5 bis 40 Masse-% und besonders bevorzugt 10 bis 30 Masse-%. Wenn der Siliziumgehalt unter 5 Masse-% ist, steigt die Porosität aufgrund von im SiC verbleibenden Zwischenraumabschnitten an und folglich treten Probleme wie eine Festigkeitsverringerung und eine Oxidations-Degradation auf. In dem Fall, in dem der Körper vor der Infiltration mit Silizium wenige Zwischenräume aufweist, werden die Flusspfade zum Infiltrieren mit Silizium kleiner und die Infiltration mit Silizium wird unzureichend. Als ein Ergebnis treten in unvorteilhafter Weise Probleme wie Rissbildung während des Brennens auf. Wenn der Siliziumgehalt 40 Masse-% übersteigt, wird die Menge der Infiltration mit Silizium überschüssig. Folglich treten Probleme wie Rissbildung während des Brennens und Festigkeitsverringerung auf.
Der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung nimmt eine dickwandige Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm ein, und bevorzugt nimmt er eine dickwandige Form mit einer Dicke von 30 bis 50 mm ein. Der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis in der dickwandigen Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm zeigt exzellente Festigkeit und kann als ein Element wie ein Heber für einen Drehrohrofen verwendet werden, welcher beide Eigenschaften der Festigkeit und Wärmebeständigkeit erfordert. Hier bezieht sich der Ausdruck „dickwandige Form” auf eine flache Form, eine kubische Form, eine Rohr- oder Stabform oder dergleichen mit einer großen Dicke von 20 mm oder mehr. Folglich bezieht sich der Ausdruck „eine dickwandige Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm” auf eine Form mit einer großen Dicke.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Das Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung schließt die Schritte zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Teilchen mit einem maximalen Teilchendurchmesser von 0,5 mm oder mehr enthaltenden Tons, Ausformen des sich ergebenden Tons zu einem geformten Körper, Erhitzen des sich ergebenden geformten Körpers auf 1000°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger, um einen ersten gebrannten Körper zu erhalten, und Erhitzen des sich ergebenden ersten gebrannten Körpers in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre ein, um einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis zu erhalten.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis durch Erhitzen des vorbestimmten Siliziumkarbid-Teilchen enthaltenden geformten Körpers auf 1000°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck bei 100 hPa oder weniger, um den ersten gebrannten Körper zu erhalten, und danach Erhitzen des sich ergebenden ersten gebrannten Körpers in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre erhalten. Folglich wird es möglich, SiO₂ in dem Schritt zum Erhalten des ersten gebrannten Körpers zu zersetzten, solange SiO₂ auf den Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen vorhanden ist, da es eine Substanz ist, welche die Infiltration mit metallischem Si behindert, und die Infiltration mit metallischem Si in adäquater Weise in den folgenden Schritt zum Erhalten des gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis durchzuführen. Gemäß dieses Herstellungsverfahrens kann sogar ein erster gebrannter Körper mit einer großen Dicke in adäquater Weise mit metallischen Si infiltriert werden. Konsequenter Weise kann ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis in einer dickwandigen Form erhalten werden, der exzellente Festigkeit und exzellente Oxidationsbeständigkeit zeigt.
Das Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung schließt den Schritt zum Herstellen des Siliziumkarbid-Teilchen mit einem maximalen Durchmesser von 0,5 mm oder mehr enthaltenden Tons ein. In dem Schritt zum Herstellen des Tons werden Siliziumkarbid-Teilchen mit einem maximalen Teilchendurchmesser von 0,5 mm oder mehr mit einem Dispersionsmedium wie Wasser wie auch anderen Additive gemischt. Darüber hinaus werden ein organischer Binder und ein Dispergator zugegeben, gefolgt von Kneten, um einen lehmartigen Ton zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt ist es ebenso effektiv, einen Porenbildner zuzugeben, falls nötig.
Der maximale Teilchendurchmesser der in dem Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Siliziumkarbid-Teilchen ist 0,5 mm oder mehr, bevorzugt 0,5 bis 6 mm, insbesondere bevorzugt 1 bis 5 mm und am besten 1 bis 3 mm. Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr, was relativ groß ist, und folglich kann Silizium (Si) in adäquater Weise in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen bei der Herstellung des gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis gefüllt werden (Infiltration). Wenn der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen unter 0,5 mm ist, wird Silizium (Si) nicht in adäquater Weise in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen gefüllt, und Probleme, zum Beispiel Oxidations-Degradation, treten auf. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Anteil der Siliziumkarbid-Teilchen mit 5 mm übersteigenden Teilchendurchmessern klein ist, bevorzugt 5 Masse-% oder weniger und insbesondere bevorzugt 1 Masse-% oder weniger. Wenn der Anteil der Siliziumkarbid-Teilchen mit 5 mm übersteigenden Teilchendurchmessern ansteigt, kann ein Problem darin auftreten, dass das Auftreten von Bruch in den SiC-Teilchen eine Verringerung der Festigkeit hervorruft, wenn ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis hergestellt wird. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis eine dickwandige Form einnehmen, da Silizium (Si) in adäquater Weise in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen gefüllt (infiltriert) werden kann.
In Bezug auf die in dem Verfähren zur Herstellung eines gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Siliziumkarbid-Teichen ist es bevorzugt, dass der Gehalt der Siliziumkarbid-Teilchen mit dem Teilchendurchmesser 0,5 mm oder mehr 10 bis 80 Masse-% der gesamten Siliziumkarbid-Teilchen und insbesondere 30 bis 60 Masse-% ist. Da der Gehalt der Siliziumkarbid-Teilchen mit dem Teilchendurchmesser 0,5 mm oder mehr in dem vorstehend beschriebenen Bereich liegt, wird Silizium (Si) in die Zwischenräume zwischen den Siliziumkarbid-Teilchen in noch adäquaterer Weise bei der Herstellung des gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis gefüllt (infiltriert). Konsequenter Weise kann der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis mit noch exzellenterer Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit hergestellt werden.
Bevorzugt ist der mittlere Teilchendurchmesser der Siliziumkarbid-Teilchen 0,2 bis 2 mm und weiter bevorzugt 0,2 bis 1 mm. Der mittlere Teilchendurchmesser ist ein Wert, der durch Durchführen eines Rohmaterialpulvers durch eine Mehrzahl von Sieben mit verschiedenen Sieböffnungen und Messen des Gewichts des auf jedem Sieb verbleibenden Pulvers bestimmt wird.
Der, wenn notwendig, in dem Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Ausführungsform zu verwendende Porenbildner hat in vorteilhafter Weise eine Eigenschaft des Streuens und Verschwindens während des Brennschritts oder verbleibt in karbonisierter Form und anorganische Materialien wie Koks, Polymerverbindungen wie ein Harzschaum, organische Materialien wie Stärke und dergleichen können verwendet werden. Diese können alleine oder in einer Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet werden. Ebenso ist der Gehalt des Porenbildners bevorzugt 10 Vol.-% oder weniger relativ zu dem gesamten Ton. Der Porenbildner kann ebenso als ein organischer Binder verwendet werden.
Für den organischen Binder können Methylzellulose, Ligninsulfonat, Polyethylenglykol, Polyacrylsäureester, Carboxymethylzellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen verwendet werden. Diese können allein oder in einer Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet werden. Ebenso ist der Gehalt des organischen Binders bevorzugt 0,05 bis 5 Masse-% relativ zu dem gesamten Ton und insbesondere bevorzugt 0,2 bis 2,0 Masse-%.
Für den Dispergator kann Natriumpolycarboxylat, Naphthalensulfonsäure, Polyethylenimin, Natriumpolyacrylat, Natriumsilicat, Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseife, Polyalkohol und dergleichen verwendet werden. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet werden. Ebenso ist der Gehalt des Dispergators bevorzugt 0,01 bis 2 Masse-% relativ zu dem gesamten Ton und insbesondere bevorzugt 0,05 bis 0,5 Masse-%.
Beispiele des Dispersionsmediums können Wasser einschließen. In dem Fall einer Stampfformung, Vibrationspresse oder hydraulischen Ölpresse ist der Gehalt des Dispersionsmittels bevorzugt 1 bis 10 Masse-% relativ zu dem gesamten Ton und insbesondere bevorzugt 3 bis 7 Masse-%. Wenn der Gehalt zu klein ist, kann der Ton steif werden und schwierig zu formen sein. Wenn der Gehalt zu groß ist, kann der Körper zu weich werden. In dem Fall von Gussformung ist es bevorzugt, dass der Gehalt 10 bis 30 Masse-% ist. Dieser Wert ist jedoch nicht mehr als eine Referenz. Es ist bevorzugt, dass die Menge des Dispersionsmittels in einer solchen Art und Weise eingestellt wird, dass die Viskosität eines herzustellenden Schlickers 5 bis 50 Centipoise wird.
Das Verfahren zur Herstellung des Tons durch Kneten der vorstehend beschriebenen Siliziumkarbid-Teilchen und anderer Additive ist nicht besonders begrenzt. Beispiele des Verfahrens schließen Verfahren ein, welche Fret, Simpsonmischer, KANTO-Mischer, eine Trommel, einen Kneter, eine Vakuumknetmaschine und dergleichen verwenden.
Nachfolgend schließt das Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung einen Schritt zum Ausformen des sich ergebenden Tons zu einem geformten Körper ein. Das Verfahren zum Ausformen des geformten Körpers ist nicht besonders begrenzt und bislang bekannte Formverfahren wie Stampfformung, Pressformung und Gussformung können verwendet werden.
Der geformte Körper nimmt eine dickwandige Form ein. Die Dicke der dickwandigen Form ist 20 bis 200 mm, und bevorzugt 30 bis 50 mm. Durch Ausformen der Form des geformten Körpers in eine dickwandige Form, wie vorstehend beschrieben wurde, kann der sich ergebende gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis nach dem Brennen eine dickwandige Form einnehmen. Darüber hinaus schließen spezifische Beispiele an Formen einen Würfel, einen Parallelflächner, einen Zylinder, ein Prisma, einen Kegelstumpf, einen Pyramidenstumpf, eine Hohlform und andere Formen ein, in welchen die Formen der Flächen oder dergleichen der vorstehend beschriebenen Formen modifiziert sind.
Bevorzugt hat der sich ergebende geformte Körper eine Rohdichte von 1,65 bis 2,7 g/cm³. Wenn die Rohdichte zu klein ist, werden Poren, welche Zwischenräume zwischen Siliziumkarbid-Teilchen sind, wenn der erste gebrannte Körper gebildet wird, übermäßig (die Porosität wird zu hoch) und dadurch kann die Festigkeit des sich ergebenden gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis abnehmen. Wenn die Rohdichte zu hoch ist, sind die Poren zu gering (die Porosität wird zu niedrig), wenn der erste gebrannte Körper gebildet wird. Wenn folglich der erste gebrannte Körper mit dem metallischen Silizium infiltriert wird, kann die Menge der Infiltration mit dem metallischen Silizium nicht ausreichend zum festen Binden der Siliziumkarbid-Teilchen sein.
Nachfolgend schließt das Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung einen Schritt zum Erhitzen des sich ergebenden geformten Körpers auf 1000°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger ein, um einen ersten gebrannten Körper zu erhalten.
Da, wie vorstehend beschrieben wurde, der geformte Körper auf 1000°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger erhitzt wird, wird Siliziumdioxid (SiO₂), das auf den den geformten Körper aufbauenden Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen vorhanden ist, durch thermische Zersetzung oder eine Reduktionsreaktion zu SiO umgewandelt und dann verdampft. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Teil des Siliziumdioxids verdampft werden, welches nicht zu SiO umgewandelt wurde. Auf den Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen vorhandenes Siliziumdioxid zeigt schlechte Benetzbarkeit mit metallischen Silizium (Si). Wenn folglich Siliziumdioxid auf den Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen vorhanden ist, gibt es ein Problem darin, dass die Infiltration mit Silizium nicht leicht in dem folgenden Schritt zum Infiltrieren der Siliziumkarbid-Teilchen mit Silizium ausgeführt werden kann. Das Entfernen von Siliziumdioxid im Vorhinein jedoch, wie vorstehend beschrieben wurde, ermöglicht es, den ersten gebrannten Körper leicht mit Silizium zu infiltrieren. Und da es möglich wird, die Siliziumkarbid-Teilchen leicht mit Silizium zu infiltrieren, wobei der geformte Körper so ausgeformt ist, dass er eine dickwandige Form aufweist und der sich ergebende erste gebrannte Körper eine dickwandige Form einnimmt, kann die Infiltration mit Silizium in adäquater Weise ausgeführt werden. Konsequenter Weise kann der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis erhalten werden, der eine exzellente Festigkeit und eine exzellente Oxidationsbeständigkeit zeigt.
Ein zu verwendendes Heizgerät ist nicht speziell begrenzt, sofern das Gerät auf 100 hPa oder weniger im Druck verringert werden kann und auf 1000°C oder höher erhitzen kann, und ein Verbrennungsofen, ein elektrischer Ofen und dergleichen können verwendet werden.
Der Druck in dem Heizgerät ist 100 hPa oder weniger, bevorzugt 0,1 bis 50 hPa und insbesondere bevorzugt 1 bis 10 hPa. Wenn der Druck zu hoch ist, schreiten thermische Zersetzung und eine Reduktionsreaktion des Siliziumdioxids nicht leicht voran. Als ein Ergebnis wird das auf der SiC-Oberfläche erzeugte Siliziumdioxid nicht vollständig entfernt und verbleibt. Konsequenter Weise tritt ein Problem darin auf, dass die Infiltration mit metallischem Silizium nicht ausgeführt werden kann.
Die Heizzeit ist bevorzugt 2 Stunden oder mehr und insbesondere bevorzugt 2 bis 30 Stunden. Wenn die Heizzeit unter 2 Stunden ist, kann das Siliziumdioxid nicht in adäquater Weise thermisch zersetzt werden. Darüber hinaus kann das erzeugte SiC nicht inadäquater Weise verdampft werden und zur Außenseite des Systems entfernt werden.
Die Heiztemperatur ist 1000°C oder höher, bevorzugt 1000°C bis 1500°C, ferner bevorzugt 1100°C bis 1400°C und insbesondere bevorzugt 1200°C bis 1300°C. Wenn die Heiztemperatur unvorteilhafter Weise unter 1000°C ist, ist Siliziumdioxid schwierig thermisch zu zersetzen.
Das Inertgas ist nicht speziell begrenzt. Beispiele davon schließen ein Heliumgas, ein Neongas, ein Argongas, ein Kryptongas und ein Xenongas ein. Das Argongas ist bevorzugt.
Nachfolgend schließt das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung einen Schritt zum Erhitzen des sich ergebenden ersten gebrannten Körpers in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre ein, um einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis zu erhalten.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in dem ersten gebrannten Körper Siliziumdioxid, das auf den Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen vorhanden ist, thermisch zersetzt und entfernt. Folglich ist die Benetzbarkeit zwischen den Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen gut.
Poren in dem ersten gebrannten Körper können in adäquater Weise mit metallischem Silizium durch Erhitzen des ersten gebrannten Körpers in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre infiltriert werden. Konsequenter Weise kann der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis erhalten werden, der eine exzellente Festigkeit und exzellente Oxidationsbeständigkeit zeigt.
Das zu verwendende Heizgerät ist nicht speziell begrenzt, sofern das Gerät auf 1400°C oder höher erhitzen kann, und ein Verbrennungsofen, ein elektrischer Ofen und dergleichen können verwendet werden.
Der Druck in dem Heizgerät ist bevorzugt 0,01 bis 50 hPa und insbesondere bevorzugt 0,1 bis 10 hPa.
Die maximale durch das Erhitzen zu erreichende Temperatur ist 1400°C oder höher, bevorzugt 1400°C bis 1800°C und insbesondere bevorzugt 1450°C bis 1600°C. Wenn die Temperatur unter 1400°C ist, schmilzt Silizium unvorteilhafter Weise nicht.
Bevorzugt ist die Zeit zum Halten der maximalen Temperatur 1 bis 10 Stunden und insbesondere bevorzugt 3 bis 5 Stunden. Wenn die Zeit zu kurz ist, kann der erste gebrannte Körper nicht adäquat mit Silizium infiltriert werden.
Das Inertgas ist nicht speziell begrenzt. Beispiele davon schließen ein Heliumgas, ein Neongas, ein Argongas, ein Kryptongas und ein Xenongas ein. Das Argongas ist bevorzugt.
Der vorstehend beschriebene Schritt zum Herstellen eines ersten gebrannten Körpers und der Schritt zum Herstellen eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis kann kontinuierlich durchgeführt werden oder separat durch zum Beispiel einmaliges Verringern der Temperatur des ersten gebrannten Körpers ausgeführt werden. In dem Fall, in dem diese kontinuierlich ausgeführt werden, ist es bevorzugt, dass Silizium im Vorhinein in das Heizgerät in dem Schritt zum Erhalten eines ersten gebrannten Körpers gegeben wird und, nachdem der erste gebrannte Körper durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhalten wurde, die Temperatur in dem Heizgerät kontinuierlich von dem Zustand direkt nachdem der erste gebrannte Körper hergestellt wurde, angehoben wird. Und es ist bevorzugt, dass der erste gebrannte Körper in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre aufgeheizt wird, um den gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt ist in dem Schritt zum Herstellen des ersten gebrannten Körpers die Heiztemperatur bevorzugt 1000°C oder höher und weniger als 1400°C. Wenn die Heiztemperatur 1400°C oder höher ist, beginnt Silizium zu schmelzen und der erste gebrannte Körper beginnt mit Silizium infiltriert zu werden. Konsequenter Weise wird es schwierig, das Siliziumdioxid auf den Oberflächen der Siliziumkarbid-Teilchen zu entfernen. Wenn Silizium im Vorhinein in das Heizgerät in dem Schritt des Erhaltens eines ersten gebrannten Körpers gegeben wird, kann das Silizium in Kontakt mit dem gebrannten Körper (geformten Körper) sein oder nicht. Es ist jedoch von dem Standpunkt der betrieblichen Effizienz bevorzugt, dass das Silizium im Vorhinein in Kontakt mit dem ersten gebrannten Körper (geformten Körper) gebracht wird, weil der folgende Schritt kontinuierlich ausgeführt wird.
Der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung, der durch das vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung des gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis erhalten wurde, zeigt exzellente Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit, selbst wenn eine dickwandige Form (Dicke 20 bis 200 mm) eingenommen wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, zeigt der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung, der eine dickwandige Form (Dicke 20 bis 200 mm) einnimmt, eine exzellente Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit.
Folglich kann der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis als ein Drehrohrofen-Heber verwendet werden, der auf einer Innenoberfläche eines Mantels eines Drehrohrofens angeordnet ist. Zusätzlich ist es möglich, dass er für verschiedene Zwecke verwendet wird, in denen dickwandige Formen benötigt werden.
1 stellt einen Drehrohrofen dar, der mit einem Drehrohrofen-Heber versehen ist, welcher den gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung verwendet, und ist eine teilweise Querschnittsansicht im rechten Winkel zu einer Mittelachse (einer Drehachse).
Der mit einem Drehrohrofen-Heber, welcher den gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung verwendet, zu versehende Drehrohrofen ist nicht speziell begrenzt und bislang bekannte Drehrohröfen können verwendet werden. Zum Beispiel schließt, wie in 1 dargestellt wird, ein Drehrohrofen-Heber 1 unter Verwendung des gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung ein Grundendabschnitt 3 und einen Frontendabschnitt 2 ein. Der Heber 1 ist in dem Drehrohrofen 100 in einer solchen Art und Weise angeordnet, dass der Grundendabschnitt 3 in einer Feuerfestmaterialwand 12 eingebettet ist, welche eine Innenoberfläche eines Mantels 11 eines Drehrohrofens 100 auskleidet, und der Frontendabschnitt 2 ragt von der Feuerfestmaterialwand 12 einwärts. Der Drehrohrofen-Heber schließt einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis 4 und Anker 5 ein, die in dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis 4 eingebettet sind. Und die Anker 5 sind an der Innenoberfläche des Mantels 11 mit dem die Anker befestigenden Element 6 befestigt und dadurch ist der Drehrohrofen-Heber 1 an dem Drehrohrofen 100 befestigt.
In dem Fall des in 1 dargestellten Drehrohrofen-Hebers 1, wenn die Länge W (die Breite in einer horizontalen Richtung in der Zeichnung) in einer äußeren Umfangsrichtung des Drehrohrofens 100 kurz ist, tritt leicht Bruch auf. Der Drehrohrofen-Heber 1 jedoch ist durch Verwendung des gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis der vorliegenden Erfindung fähig, eine große Dicke zu haben (Dicke 20 bis 200 mm). Folglich ist es möglich, die Breite W zu erhöhen, um ein Auftreten von Bruch zu verhindern. Im Übrigen kann die Länge des Drehrohrofen-Hebers 1 in der Mittelachsenrichtung des Drehrohrofens 100 in geeigneter Weise in Anbetracht der Bewegungseffizienz und dergleichen des Drehrohrofens bestimmt werden und wird gewöhnlicher Weise länger als die Breite W gemacht. Zum Beispiel ist die Länge bevorzugt etwa 100 bis 700 mm.
Die anderen Bestandteile als der Drehrohrofen-Heber 1, welche den Drehrohrofen 100 aufbauen, sind nicht speziell begrenzt und bekannte Bestandteile können verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend spezieller unter Bezug auf Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele begrenzt.
Ton
Ton A
Ein Ton (Ton A) wurde durch Mischen von 94,3 Masse-% Siliziumkarbid, 0,7 Masse-% Binder, 5 Masse-% Wasser und Ausführen von Kneten in einem Fretmischer hergestellt. Eine Mischung von Ligninsulfonat und Carboxymethylzellulose mit einem Masseverhältnis von 3:7 wurde als Binder verwendet. Siliziumkarbid, das aus 40 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 60 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. In Bezug auf die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr hatten 0,7 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen Teilchendurchmesser von mehr als 0,5 mm, 51,2 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen hatten Teilchendurchmesser von 2 bis 5 mm, 27,3 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen hatten Teilchendurchmesser von 1 mm oder mehr und weniger als 2 mm und 20,8 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen hatten Teilchendurchmesser von 0,5 mm oder mehr und weniger als 1 mm. In Bezug auf die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm hatten 23,6 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen Teilchendurchmesser von 0,25 mm oder mehr und weniger als 0,5 mm, 26,4 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen hatten Teilchendurchmesser von 0,1 mm oder mehr und weniger als 0,25 mm und 50,0 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen hatte Teilchendurchmesser von weniger als 0,1 mm.
Ton B1
Ton B1 wurde wie Ton A mit der Ausnahme hergestellt, dass die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen durch Mischen von 92,6 Masse-% Siliziumkarbid, 0,7 Masse-% Binder und 6,7 Masse-% Wasser geändert wurde. Siliziumkarbid, das aus 8 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 92 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. In Bezug auf die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr hatten 0,8 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen Teilchendurchmesser von 2 mm oder mehr, 43,5 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen hatten Teilchendurchmesser von 1 mm oder mehr und weniger als 2 mm, 55,7 Masse-% der Siliziumkarbid-Teilchen hatten Teilchendurchmesser von 0,5 mm oder mehr und weniger als 1 mm. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm war die gleiche wie in dem Fall des Tons A.
Ton B2
Ton B2 wurde wie Ton A mit der Ausnahme hergestellt, dass die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen durch Mischen von 93,3 Masse-% Siliziumkarbid, 0,7 Masse-% Binder und 6 Masse-% Wasser geändert wurde. Siliziumkarbid, das aus 10 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 90 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr war die gleiche wie die in dem Fall des Tons B1. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm war die gleiche wie in dem Fall des Tons A.
Ton B3
Ton B3 wurde wie Ton A mit der Ausnahme hergestellt, dass die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen geändert wurde. Siliziumkarbid, das aus 40 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 60 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr war die gleiche wie in dem Fall des Tons B1. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm war die gleiche wie in dem Fall des Tons A.
Ton B4
Ton B4 wurde wie Ton A mit der Ausnahme hergestellt, dass die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen durch Mischen von 95,8 Masse-% Siliziumkarbid, 0,7 Masse-% Binder und 3,5 Masse-% Wasser geändert wurde.
Siliziumkarbid, das aus 80 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 20 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr war die gleiche wie in dem Fall des Tons B1. Die Teilchengrößenverteilung von Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm war die gleiche wie in dem Fall des Tons A.
Ton B5
Ton B5 wurde wie Ton A mit der Ausnahme hergestellt, dass die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen durch Mischen von 96,3 Masse-% Siliziumkarbid, 0,7 Masse-% Binder und 3 Masse-% Wasser geändert wurde. Siliziumkarbid, das aus 85 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 15 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder weniger war die gleiche wie in dem Fall des Tons B1. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchengrößen von weniger als 0,5 mm war die gleiche wie in dem Fall des Tons A.
Ton C
Ton C wurde wie Ton A mit der Ausnahme hergestellt, dass die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen durch Mischen von 89,3 Masse-% Siliziumkarbid, 5 Masse-% Kohlenstoffpulver mit Teilchendurchmessern von weniger als 30 um, 0,7 Masse-% Binder und 5 Masse-% Wasser geändert wurde. Siliziumkarbid, das aus 55 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 45 Masse-% von Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr war die gleiche wie in dem Fall des Tons B1. Die Teilchengrößenverteilung von Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm war die gleiche wie in dem Fall des Tons A.
Ton (Schlicker) D
Ton (Schlicker) D wurde durch Mischen von 79,8 Masse-% Siliziumkarbid, 0,1 Masse-% Polyvinylalkohol (Binder), 0,1 Masse-% Polyacrylsäure (Dispergator) und 20 Masse-% Wasser mit einer Topfmühle hergestellt. Siliziumkarbid, das aus 40 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und 60 Masse-Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm zusammengesetzt war, wurde verwendet. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr war die gleiche in dem Fall des Tons B1. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,5 mm war die gleiche wie in dem Fall des Tons A.
Ton E
Ton E wurde wie Ton A mit der Ausnahme hergestellt, dass die Teilchengrößenverteilung der Siliziumkarbid-Teilchen geändert wurde. Eine Mischung, die aus 50 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,005 mm bis 0,02 mm und 50 Masse-% Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,001 mm zusammengesetzt war, wurde als Siliziumkarbid verwendet.
Geformter Körper Ein durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellter Ton wurde verwendet. Ein geformter Körper in einer dickwandigen flachen Form oder flachen Form von 300 mm Länge × 300 mm Breite mit einer Dicke (Ausformdicke (mm)), die in Tabelle 1 und Tabelle 2 angezeigt wird, wurde durch jedes der Formverfahren (Stampfformung, Vibrationspressformung, Gussformung oder hydraulische Ölpressformung), die in Tabelle 1 und Tabelle 2 angezeigt sind, hergestellt. Die Rohdichte jedes geformten Körpers wird in Tabelle 1 und Tabelle 2 angezeigt (Rohdichte des geformten Körpers: g/cm³). Die Rohdichte ist ein durch das Archimedes-Verfahren gemessener Wert.
Bei der Stampfformung wurde ein Gerät verwendet, welches durch Luft geschwungen wurde, ein Kopf von 15 × 15 wurde auf einem Kopfabschnitt befestigt und jeder der Tone, die unter den entsprechenden Bedingungen hergestellt wurden, wurde mit einem Stampfkopf in eine Form gestampft, um das Ausformen auszuführen. Bei der Vibrationspressformung wurde ein Vibrator auf einer Form angeordnet, Vibration wurde an die Form angelegt und dadurch der eingegebene Ton durch Vibration eingefüllt. Bei der Gussformung wurde eine Gipsform unter Verwendung von durch Noritake Co., Limited hergestellten Gips erstellt und der Schlicker wurde in die Gipsform gegossen, um das Ausformen auszuführen. Bei dem hydraulischen Ölpressformen wurde das Ausformen in einer uniaxialen Richtung ausgeführt.
Erster gebrannter Körper
Jeder der sich ergebenden geformten Körper wurde bei 20°C für 10 Stunden getrocknet. Danach wurde jeder geformte Körper auf einer Kohlenstoff-Spannvorrichtung platziert und wurde gebrannt, um einen ersten gebrannten Körper zu erhalten. In Bezug auf die Brennbedingungen wurde die Temperatur von Umgebungstemperatur auf 1000°C über 5 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre bei atmosphärischem Druck angehoben. Darüber hinaus wurde die Temperatur von 1000°C bis 1400°C in einer Argonatmosphäre bei einem vorbestimmten Druck angehoben. Der Druck während der Brennens und die Aufheizzeit von 1000°C bis 1400°C jedes geformten Körpers war der Druck und die Aufheizzeit, die in Tabelle 1 und Tabelle 2 angezeigt werden (Brennbedingungen von 1000°C bis 1400°C).
Gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis
Körniges metallisches Silizium mit Teilchendurchmessern von 1 mm bis 10 mm wurde auf der Oberfläche jedes sich ergebenden ersten gebrannten Körpers platziert und in der zweifachen Menge der benötigten Menge, die aus der Dichte des zu brennenden Materials berechnet wurde, in Kontakt mit dieser gebracht. Die Temperatur wurde von 1400°C auf 1600°C über 3 Stunden in einer Argonatmosphäre bei 10 hPa angehoben und das Brennen wurde bei 1600°C für 5 Stunden ausgeführt und folglich wurde ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis erhalten (Beispiele 1 bis 30 und Vergleichsbeispiele 1 bis 15). Die aus der Dichte eines zu brennenden Materials berechnete Menge bezieht sich auf eine Menge an metallischem Silizium, das in Poren eintreten kann, und das ist ein Wert, der aus der Menge der Poren und der Dichte des metallischen Siliziums berechnet wird, wobei eine theoretische Dichte, welche als „a” angenommen wird, einer Mischung (zu brennendes Material) aus der wahren spezifischen Dichte und dem Mischungsverhältnis jedes Rohmaterials in der zu brennenden Mischung berechnet wird, die Rohdichte (g/cm³), welche als „b” angenommen wird, aus den Abmessungen und der Masse des zu brennenden Materials berechnet wird und die Menge der Poren aus dem sich ergebenden a und b berechnet wird.
Speziell wird die Berechnung auf der Grundlage einer Gleichung ausgeführt: Benötigte Menge an Silizium (Masse-%) = (a – b)/(a × b) × 2,3 × 100 wobei 2,3 eine Dichte von zu verwendendem metallischen Silizium ist.
Die sceinbare Porosität (%), der Siliziumgehalt (Masse-%), die thermische Leitfähigkeit (W/(m·K)), die Biegefestigkeit (MPa) und eine Rissbildung nach dem Brennen der sich ergebenden gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis wurde durch die folgenden Verfahren ausgewertet. Die Ergebnisse werden als Eigenschaften des gebrannten Körpers in Tabelle 1 und Tabelle 2 angezeigt.
Scheinbare Dichte
Die scheinbare Dichte wurde durch das Archimedes-Verfahren auf der Grundlage von JIS R2205 gemessen.
Si-Gehalt
Der Si-Gehalt wurde durch nasschemische Analyse gemessen.
Thermische Leitfähigkeit
Die thermische Leitfähigkeit wurde durch ein Laserblitzverfahren auf der Grundlage von JIS R1611 gemessen.
Biegefestigkeit
Für die Biegefestigkeit wurde die 4-Punkt-Biegefestigkeit auf der Grundlage von JIS R1601 gemessen.
Rissbildung nach dem Brennen
Die Rissbildung nach dem Brennen ist das Ergebnis der visuellen Inspizierung oder des Inspizierens mit fluoreszierendem Eindringmittel von Rissen, die in dem gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis auftreten. Der Fall, in dem ein Riss mit einer Länge von 3 mm oder mehr auftrat, wurde durch ein „x” angezeigt, und der Fall, in dem kein Riss auftrat oder, wenn überhaupt, die Länge des Risses unter 1 mm war, wurde durch „o” angezeigt.
Wie aus Tabelle 1 und Tabelle 2 deutlich wird, enthalten die gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis der Beispiele 1 bis 30 Siliziumkarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr und die Siliziumgehalte sind 5 bis 40 Masse-%, so dass die Auswertungsergebnisse der Biegefestigkeit und der Rissbildung nach dem Brennen gut sind. Darüber hinaus ist aus Beispielen 7 bis 9 und Beispielen 20 bis 23 klar, dass selbst wenn die Bildungsdicke ansteigt, die Biegefestigkeit bei guten Werten aufrecht erhalten wird und keine Rissbildung nach dem Brennen auftritt.
Die gebrannten Körper auf Siliziumkarbid-Basis der vorliegenden Erfindung können nicht nur als Brennplatten zum Brennen von Keramiken wie Isolatoren, Sanitärsteinzeug, Geschirr, Gestelle, Tonwarenrohre und Dachziegel und dergleichen, Brennofenrohre zum Brennen von Halbleitern, Rohre für Walzenwärmetauscher von Herdwalzenöfen, Brennplatten zum Brennen keramischer Produkte und dergleichen verwendet werden, sondern ebenso für Elemente wie Drehrohrofen-Heber in einer dickwandigen Form, welche Festigkeit, Wärmebeständigkeit, Abriebswiderstand, Korrosionsbeständigkeit und andere Eigenschaften erfordern.
Ein gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis schließt eine Mehrzahl von als ein Aggregat dienende Siliziumkarbid (SiC) -Teilchen und Silizium (Si), welches als ein Binder dient und welches in die Zwischenräume zwischen den vorstehend beschriebenen Siliziumkarbid-Teilchen gefüllt wird, ein, wobei der maximale Teilchendurchmesser der vorstehend beschriebenen Siliziumkarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr ist, der Gehalt an Silizium 5 bis 40 Masse-% ist und die Porosität 0 bis 5% ist. Bevorzugt ist der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis in einer dickwandigen Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm.

Claims

Gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis, welcher umfasst: eine Mehrzahl von Siliziumcarbid(SiC)-Teilchen, die als ein Aggregat dienen; und Silizium (Si), das in die Zwischenräume zwischen den Siliziumcarbid-Teilchen gefüllt ist, wobei der maximale Teilchendurchmesser der Siliziumcarbid-Teilchen 0,5 mm oder mehr ist, der Gehalt an Silizium 5 bis 40 Masse-% ist und die Porosität 0 bis 5% ist, und wobei der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis eine dickwandige Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm einnimmt.
Gebrannter Körper auf Si-SiC-Basis nach Anspruch 1, wobei der Gehalt der Siliziumcarbid-Teilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 mm oder mehr 10 bis 80 Masse-% der gesamten Siliziumcarbid-Teilchen ist.
Verwendung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis als ein Drehrohrofen-Heber verwendet wird, der auf einer Innenoberfläche eines Mantels eines Drehrohrofens angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Herstellen eines mechanisch durchgekneteten Tons, der Siliziumkarbid-Teilchen mit einem maximalen Teilchendurchmesser von 0,5 mm oder mehr enthält; Ausformen des mechanisch durchgekneteten Tons zu einem geformten Körper; Erhitzen des geformten Körpers auf 1000°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger, um einen ersten gebrannten Körper zu erhalten; und Erhitzen des ersten gebrannten Körpers in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre, um einen gebrannten Körper auf Si-SiC-Basis zu erhalten, und wobei der gebrannte Körper auf Si-SiC-Basis eine dickwandige Form mit einer Dicke von 20 bis 200 mm einnimmt.
Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis nach Anspruch 4, wobei der Schritt zum Erhalten des ersten gebrannten Körpers ein Schritt ist, in welchem der geformte Körper in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger bei 1000°C oder höher für 2 bis 30 Stunden erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei der Schritt zum Erhalten des ersten gebrannten Körpers ein Schritt ist, in welchem der geformte Körper auf 1000°C oder höher und 1400°C oder weniger in der Gegenwart von Silizium in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 100 hPa oder weniger erhitzt wird, und der Schritt zum Erhalten des gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis ein Schritt ist, in welchem die Temperatur kontinuierlich von dem Schritt zum Erhalten des ersten gebrannten Körpers angehoben wird und der erste gebrannte Körper in Kontakt mit Silizium auf 1400°C oder höher in einer Inertgasatmosphäre aufgeheizt wird.
Verfahren zur Herstellung eines gebrannten Körpers auf Si-SiC-Basis nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Rohdichte des geformten Körpers 1,65 bis 2,7 g/cm³ ist.